• 보존과학회지
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• 제34권6호
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• pp.581-593
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• 2018

최근 고대 제철기술 연구를 위한 복원실험이 활발하게 이루어짐에 따라 세부 기술체계나 조업방식 등에 대한 해석이 가능해지는 등 성과를 이루었다. 이에 본 연구에서는 고대 제련-단야기술 복원실험을 위한 적정 온도조건을 확인하여 고대 기술의 복원에 근접하기 위한 적정한 실험 방향을 제시하고자 하였다. 복원대상은 고대 중원지역의 출토 사례를 기본으로 하였으며 기존의 연구 자료를 참고하여 최대한 변수를 통제한 실험을 설계하였다. 저온으로 조업한 실험A와 고온으로 조업한 실험B를 실시한 결과 실험A에서 생성된 철은 탄소함량이 적고 단야조업에도 적합한 것으로 확인되었다. 또한 슬래그의 미세조직 및 성분조성과 노벽의 침식 등 전반적인 양상도 실험A가 고대 제련기술에 근접한 결과를 보였다. 실험을 통한 고대 제철기술의 복원은 유적에서 나타나는 현상의 복원될 때 이루어질 수 있으므로 고대제련-단야 기술체계의 복원을 위한 실험은 실험A와 같은 저온조업을 중심으로 진행되는 것이 적절할 것으로 판단된다.

• 보존과학회지
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• 제33권6호
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• pp.519-532
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• 2017

고대 제철기술에 대한 연구는 고고학적 조사와 자연과학적 분석 자료를 기본으로 하며 복원실험 결과와의 비교분석을 통해 기술체계를 연구하게 된다. 현재까지의 고고학적 조사를 통한 고대 중원지역의 제철기술은 직접제련법을 통한 탄소량이 낮은 1차 철소재를 생산하고 이를 단타가공하여 철기를 제작하는 체계로 확인된다. 이에 본 연구에서는 제련에서 단야로 이어지는 철 생산기술의 연구를 목적으로 20여회의 제련실험과 4회의 단야실험을 실시하였으며 생산한 철괴 및 부산물의 자연과학적 분석을 통해 제철유적에서 출토되는 유물과 비교하고자 하였다. 실험 및 분석의 종합적 연구결과 제련 및 단야공정에서 나타나는 물리화학적 성질의 변화 및 각 공정별 특징을 확인할 수 있었다. 제련의 경우 적절한 노 내 환원분위기 조성과 원활한 슬래그 분리를 통해 철의 회수율을 높이는 것이 중요하며 이러한 양질의 1차 철소재의 생산은 다음 공정의 효율성을 위해 중요한 것으로 확인된다. 직접제련을 통해 만들어진 철괴는 내부에 불순물이 존재할 수밖에 없어 정련단야를 통해 추가적으로 불순물을 제거하는 공정이 불가피하며 실험을 통해 단야 공정별 효과적인 노의 구조와 온도를 확인 할 수 있었다. 또한 본 실험을 통해 제작된 철정의 자연과학적 분석 결과는 성분조성보다 1차적으로는 비금속개재물이나 기공 등 물리적 결함요인의 감소를 통한 품질의 개선이 더 중요한 것으로 확인되었다. 이외에도 다양한 제철공정 부산물들의 비교연구 자료를 확보하였으며 추후 제철유적 출토유물 연구에 활용될 것으로 보인다.

• 보존과학회지
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• 제33권4호
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• pp.297-312
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• 2017

고대 제철 공정에서 원광석 내의 철과 기타 광물의 분리가 원활하게 이루어질 수 있도록 조재제를 첨가하는 경우가 많다. 하지만 조재제 첨가 유무를 판단할 수 있는 정확한 기준이 될 만한 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 조재제 첨가에 따라 달라지는 슬래그의 재료학적 특성을 파악하기 위해 제련 실험을 진행하였다. 총 3차례 진행된 실험에서 산출된 슬래그의 미세조직을 관찰하고 성분을 분석하였다. 1차 실험은 조재제를 첨가하지 않았으며, 산출된 슬래그의 전철량은 39.45~52.94 wt%로 확인되었다. 조재제를 첨가한 2, 3차 실험에서는 34.89~38.92 wt%로 감소하였다. 미세조직 분석 결과 2, 3차 실험에서는 철산화물 이외에 Gehlenite, Hercynite와 같은 CaO 화합물이 나타난다. 비금속개재물 성분 간 비율을 비교한 결과, 1차 실험의 유리질바탕의 $CaO/SiO_2$ 값이 0.42를 기준으로, 이보다 높을 경우 조재제를 첨가하였을 것으로 판단된다. $Al_2O_3/SiO_2-CaO/SiO_2$ 비교 분석한 결과, $Al_2O_3-SiO_2$ 비율은 유사한 제련공정 시스템(원광, 노벽, 연료)을 판단하는 지표로 활용할 수 있을 것으로 본다.

• 헤리티지:역사와 과학
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• 제57권2호
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• pp.6-25
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• 2024

본 연구에서는 8차례 진행된 국립중원문화유산연구소의 제련실험에 대한 결과 보고서를 중점적으로 검토하여 조업의 목표와 결과를 종합하고, 실험 내용의 변경 사항과 이에 따른 실험 결과물의 변화를 확인하였다. 먼저 조업 목표에 따른 원료:연료의 비율, 첨가제 유무 등 조업과 관련된 변화를 검토해 보았다. 이와 더불어 원료와 형성물, 부산물에 대한 금속학적 분석결과를 정리하여 유적에서 출토된 자료와 비교하여 검토를 진행하였다. 8차까지의 제련실험은 조업방식에 철광석 배소, 첨가제 투입, 원료:연료의 비율 등에 대하여 변화를 주었다. 그 결과들을 재검토한 결과, 탄소 함량이 낮은 순철이 금속학적 분석결과 확인되기 시작하였다. 이를 통해 생산목적에 따라 원료와 연료의 장입 비율이 중요한 역할을 한다는 점을 확인할 수 있었다. 또한 생산품 다수가 회주철인 점은 선철이 노 내에 장시간 방치되어 내부 조직이 변화된 것으로 파악하였으며, 탄소 함량이 공정반응이 일어나는 4.3%에 도달하지 못하였음에도 불구하고 용융상태를 거친 철괴인 점은 조업온도가 지나치게 높았던 것으로 파악된다. 앞서 검토한 결과들과 기타 제철복원실험에서 사용된 실험로의 구조와 형태를 참고하여 최종적으로 노 상부구조를 비롯한 고대 철 제련로 구조 복원을 시도해 보았다. 발굴조사된 철 제련로의 잔존상태와 송풍관의 성격 등을 종합적으로 참고하여 고대 철제련로 형태를 노벽 두께, 노의 높이, 송풍구 높이, 송풍관 규격, 노 내벽 형태 및 상단 형태의 6가지 항목으로 세분하여 복원안을 제시하였다. 구체적인 복원방법으로 우선 노의 높이를 낮추고, 상단의 형태를 하단 대비 1/3 크기로 축소하거나 직선형으로 조정하는 방안이 필요하다. 송풍시설은 충주 칠금동 유적 사례를 참고하여 노 바닥에서 70cm 위에 설치하거나, 1차 실험과 같이 20m 위에 설치하는 방식을 고려해야 한다. 또한 적정 조업온도를 유지하기 위해 송풍량 조절이 필요하다. 마찬가지로 충주 칠금동 유적 사례를 참고하여 송풍관 지름을 30m 내외로 제작하거나, 1차 실험 결과를 참고하여 지름 14m 내외로 제작하는 방안을 고려해야 한다. 이를 기반으로 제철복원실험을 통해 검증함으로써 고대 제철기술의 복원 방향을 제시하고자 한다.

• 보존과학회지
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• 제33권2호
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• pp.75-83
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• 2017

본 연구는 고대 제철로 재현실험의 제련 슬래그를 대상으로 성분을 분석하고, 기존의 연구방법 대신 슬래그의 주성분에 대한 다른 성분들의 상대적인 비율을 활용한 해석 방법을 제시하여 슬래그 간의 경향성을 파악함으로써 노(爐)내에서 슬래그가 기인된 성분 출처를 연구하고자 하였다. 분석 데이터를 이변량 및 삼각좌표 비교 분석 그래프로 작성한 결과 기준시료의 주요 성분에 따라 일정한 경향성을 띠며 그룹을 형성하는 것이 확인되었다. 기준시료인 광석을 중심으로 형성된 광석 슬래그군은 CaO와 $TiO_2$함량이 높았고, 점토와 마사토를 중심으로 형성된 점토 슬래그군은 $Al_2O_3$와 $SiO_2$함량이 높았다. 또한 그래프 상에서 군집에 속하지 못하는 경우 어느 군집에 더 근접한가에 따라 슬래그가 기인한 성분의 추정이 가능한 것으로 판단하였다. 실험에 사용된 광석 및 점토, 첨가제와 제련 슬래그에서 공통적으로 $TiO_2$함량이 1.6% 이상으로 비교적 높게 나타났고, 모든 슬래그 분석 결과에서 $CaO/SiO_2$값이 0.4 이하로 분석되었다. 복원실험이 철광석 제련이었다는 점과 조업 시 조재제를 첨가하지 않았다는 것을 고려했을 때, 슬래그를 해석하는데 있어 단순 함량보다 성분 간 비율을 종합적으로 파악하는 방법이 더욱 정확한 해석 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.

• 헤리티지:역사와 과학
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• 제48권4호
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• pp.138-153
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• 2015

한국 고대 제철기술의 규명을 위한 연구의 일환으로 백제 4세기대 유적인 진천 석장리 B-23호 원형 제철로를 모델로 제철로를 복원하고 전통 방법에 의한 고대 철생산 실험을 실시하였다. 2014년도부터 예비실험을 포함하여 수차례의 실험을 실시하였으며 본 고에서는 1차 및 2차 실험 결과에 대해 검토하고자 한다. 원료와 연료는 각각 철광석(자철석)과 목탄(참나무숯)을 사용하였으며 송풍은 4인용 발풀무를 사용하였다. 제련 생성물은 대부분 노하부에 철괴, 슬래그, 목탄이 뒤섞인 상태로 되어 있었는데 배재부와 송풍관을 기준으로 절단하여 위치별 철괴의 양을 측정한 결과 주로 송풍관측에 상대적으로 많은 양의 철이 형성되었다. 철괴는 생성 위치에 따라 다른 형태의 미세조직과 함탄량을 갖는 것으로 나타났는데 전체적으로는 바닥부에 형성된 철의 함탄량이 상부에 형성된 철에 비해 높은 것으로 나타났다. 동일한 조업에서도 직접 단야 조업에 활용할 수 있는 철소재와 함탄량이 높아 탈탄 처리하거나 주조에 사용할 수 있는 상태의 다양한 철이 생성된 것을 확인하였다. 2차 실험 유출 슬래그를 제외하면 대부분 철함량이 낮은 유리질 슬래그가 형성된 것으로 보아 철과의 분리가 잘 된 것으로 여겨진다. 고고학적 자료를 기본으로 하여 고대 제철로를 복원하고 전통 방법에 의한 조업을 실시함으로써 고대의 철생산 공정에 대한 연구 자료를 확보할 수 있었으며 이를 바탕으로 향후 지속적인 실험을 실시하여 백제 제철기술을 규명할 수 있을 것으로 여겨진다.

• 보존과학회지
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• 제34권1호
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• pp.39-50
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• 2018

본 연구에서는 전통 제련법을 토대로 사철을 이용해 괴련철 생산을 재현하고 슬래그 및 괴련철을 분석하여 재료학적 특성을 알아보았다. 원료는 고문헌을 토대로 경주사철과 포항사철을 이용했다. WD-XRF 및 XRD 결과 경주사철은 저티탄사철의 Magnetite이며 포항사철은 고티탄사철의 Magnetite와 Ilmenite가 혼합됨을 확인하였다. 슬래그의 XRD 및 미세조직 분석결과 경주사철 슬래그는 Fayalite와 $W{\ddot{u}stite$, 포항사철 슬래그는 Titanomagnetite와 Fayalite가 확인되어 사철의 Ti 함량에 따른 조직의 차이를 확인하였다. 괴련철의 미세조직의 분석결과 경주사철 괴련철은 표면에 공석강에 가까운 탄소함량을 보이는 Pearlite가 우세하며, 내부는 Ferrite와 Pearlite가 혼재된 아공석강이었다. 포항사철 괴련철은 순철에 가까운 Ferrite이었다. 괴련철의 철물화를 위해서는 내부 불순물 제거, 조직을 치밀하게 하는 정련 및 단접이 필요함을 확인하였다. 향후 다양한 조건의 전통 제철 실험을 통해 제철부산물의 성격을 규명하고 제철 유적의 특징을 알아보는데 중요한 데이터로 활용 가능할 것이다.

• 한국건설순환자원학회논문집
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• 제8권3호
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• pp.310-316
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• 2020

본 연구에서는 도전성이 우수하고 조달이 쉬운 금속계열 산업부산물을 EMP차폐용 콘크리트 골재로 사용하기 위해 골재의 안정성 평가 및 EMP차폐 성능평가를 실시하였다. 산업부산물 골재는 전기로산화슬래그, 동제련슬래그, 페로몰디브덴을 선정하여 사용하였으며 골재의 성분 분석과 골재안정성 평가를 실시하였다. 또한 산업부산물 골재를 콘크리트 골재로 사용하여 기본 물성 평가 및 EMP 차폐 성능 평가를 실시하였다. 실험 결과 산업부산물 골재중 페로몰리브덴은 Free-CaO가 높아 골재로서의 안정성이 낮게 나타났으며 나머지 골재들은 콘크리트용 골재로 사용하기에 무방한 것으로 평가 되었다. 또한 압축강도 실험 결과 페로몰디브덴을 제외한 산업부산물 골재를 제외한 실험체는 Plain 실험체 보다 높은 압축강도를 발현하였다. EMP차폐 성능 평가 결과 EMP 차폐성능이 높은 산업부산물 골재는 전기로산화슬래그, 동제련슬래그 이며 골재의 평균입경이 작거나 균일하게 분포되면 차폐성능은 증가할 것으로 사료된다.

• 보존과학회지
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• 제37권6호
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• pp.738-747
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• 2021

제철원료별 직접제련법 복원실험으로 생산된 단조박편의 재료과학적 분석을 통해 금속학적 특성을 규명하였다. 제련을 위해 경주감포사철과 양양철광석을 이용하며, 각각 4개의 그룹을 설정하였다. 분석은 주성분, 광물 동정, 미세조직 관찰을 하였다. 주성분 분석 결과 정련·단접이 진행될수록 Fe의 함량은 증가하고 비금속개재물의 함량은 감소하였다. 광물을 동정한 결과 산화철 계열의 광물이 확인되었다. 미세조직 관찰 결과 Wüstite, Fayalite가 관찰되었으며, 일부에는 응집된 Wüstite가 관찰되었다. 일부 다각형, 장주상의 Magnetite도 확인되었다. 또한, 공극 및 불순물, 비금속개재물은 점차 감소하였다. 차후 다양한 제철원료를 이용한 복원실험을 통해 생산된 단조박편의 재료과학적 분석을 통해 금속학적 특성을 규명하고, 이를 유적에서 출토된 단조박편과 비교·검토하는 것이 필요하다.

• 보존과학회지
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• 제29권1호
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• pp.69-79
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• 2013

납을 획득하는 방법과 처리과정에서 일어나는 물리 화학적 거동변화를 확인함으로써 납이 함유된 고대 금속유물의 제작기법 연구에 활용하고자 방연석을 현재 가행 중인 광산에서 채취하여 세척 및 선광 등의 전처리 공정을 거쳐 제련 및 정련실험을 실시하였다. 실험결과, 납은 배소-화학반응에 의해 추출되며, $1,000^{\circ}C$이상의 고온에서도 방연석이 matte 내 존재하고 있음을 알 수 있었다. 이후 잔존하고 있는 방연석을 제거하기 위해 정련실험을 실시한 결과, 약 $11.1g/cm^3$의 비중을 갖는 금속 납이 추출되었으며 방연석 내 미량으로 존재하고 있던 Ag가 입계 내에 응집되는 것을 확인하였다. 이를 통해 고순도의 납을 제작하기 위해서는 적어도 1번 이상의 정련 과정과 은을 제거하기 위한 회취법 등이 시행되었을 것이다.